Dynamic wireless charging (DWC) is an emerging technology that enables the batteries of electric vehicles (EVs) to charge while the vehicles are in motion. The DWC-EV system addresses the challenges inherent in battery technology, such as the short driving range, long recharging time, and high price of EVs. The DWC system enables to reduce a size of the on-board battery and extend a driving range. Also, EVs do not need to spend a lot of recharging time since the charging is done when EVs pass over the wireless charging infrastructure, "power track", embedded along the road. This thesis presents methodologies for the optimal design of a DWC-EV system, specifically focusing on the mass public transit bus system in terms of economics. We obtain the most economic battery size and the optimal allocation of power tracks along a given bus route, minimizing total cost of the system. For this, we first introduce the DWC system and present power dynamics model of the DWC system. The optimal design model is proposed for a single route transportation such as shuttle system. Then we expand the single route design model to multiple routes which represent a mass public transportation system in urban area. Specifically, we proposed a heuristic approach to deal with the large-scale problems for the multiple routes. We consider the driving uncertainty issue for design problem. The robust optimization is presented to find the optimal design of DWC-EV system, which is immune to the uncertainties of energy demand and charge. The robust solution suggests a mathematical basis of safety factors for designing the system; battery size and the allocation of power tracks. At the end, we investigate a battery degradation model to account for a quantitative relation between power track installation and battery life extension. A mathematical formulation is presented to identify the optimal design of the DWC-EV system at minimum long-term cost, which includes the power track installation and battery life costs. This thesis reports various mathematical approach and properties for designing the DWC system with numerical results. The DWC system has been successfully developed and now in the commercialization stage. Hence, the optimal design of the DWC-based transportation system presented in this thesis will prove increasingly important.
본 논문은 무선 충전 전기 버스 시스템 최적 설계에 관한 연구이다. 무선 충전 시스템은 전기 자동차가 도로에 매설된 무선 충전 설비 위를 지날때 차량에 전력을 공급해주는 시스템이다. 무선 충전 시스템에서 차량은 배터리 에너지와 함께 무선으로 공급되는 전기 에너지를 활용하기 때문에, 기존의 플러그인 충전 방식의 전기 자동차에 비해 상대적으로 작은 용량의 배터리로도 운행이 가능하다는 장점을 갖는다. 즉, 무선 충전 전기 자동차 시스템에서 무선 충전 설비의 설치와 차량의 배터리 크기는 밀접하게 연관되어 있으며, 이는 전기 자동차 시스템의 경제성에 직접적으로 작용한다. 본 논문에서는 주어진 노선을 운행하는 전기 버스 시스템에서의 무선 충전 시스템 최적 설계와 경제성을 다룬다. 여기서, 무선 충전 시스템의 최적 설계란 무선 충전 설비 설치와 배터리 크기에 대한 결정을 의미한다. 이를 위해, 무선 충전 전기 버스 시스템 모델링을 제안한다. 전력 동적 모델을 바탕으로 우리는 셔틀버스 시스템과 같은 단일 노선을 운행하는 교통 시스템의 설계 최적화 모델을 제안한다. 또한, 우리는 도심 내 대중교통 시스템과 같이 다중 노선이 동시에 운행되는 시스템의 최적 설계에 대한 모델을 제시한다. 특히, 다중 노선의 경우 여러 노선이 경유하는 경로는 단일 노선이 지나가는 경로보다 무선 충전 인프라를 설치하는데 경제적인 우위를 보인다. 우리는 대도시의 대중 버스 시스템과 같이 다수의 노선에 대한 같은 최적 설계를 효율적으로 다루기 위해서 다중 노선 최적 설계를 위한 휴리스틱 방법론을 제안한다. 나아가,실제 교통 상황에서 발생하는 운행의 불확실성을 고려한 시스템 설계 최적화 방법을 강건 최적화의 기법을 이용하여 제안하며, 시스템을 설계할때 고려해야하는 배터리 크기 및 무선 충전 인프라 설계의 안전 요소들에 대한 기준을 마련한다. 마지막으로, 무선 충전 시스템과 차량의 배터리 수명과의 관계를 규명하고, 배터리 수명을 고려한 무선 충전 시스템 설계 문제를 장기적인 경제성에 대한 다룬다. 이 논문은 무선 충전 전기자동차 시스템의 최적 설계에 대한 다양한 수학적 접근 방법과 특성들에 대해서 논의한다. 무선 충전 전기자동차는 현재 기술적인 성숙과 다양한 실증사업을 바탕으로 사업화를 앞두고 있다. 특히, 많은 대도시에서 차세대 친환경 대중 교통 수단으로 검토되고 있는 실정이다. 따라서, 무선 충전 전기자동차 시스템의 경제적인 최적 설계에 대한 방법론들을 다룬 본 논문의 중요도는 앞으로 더욱 높아질 것으로 기대된다.
